KR20190084526A

KR20190084526A - 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철

Info

Publication number: KR20190084526A
Application number: KR1020180002378A
Authority: KR
Inventors: 윤석조; 강석영
Original assignee: 주식회사 성일터빈
Priority date: 2018-01-08
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2019-07-17
Also published as: KR102063134B1

Abstract

본 발명은 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철에 관한 것으로서, C: 1~3wt%, Si: 2wt% 이하, Mn: 2wt% 이하, Cr: 25~27wt%, Mo: 0.4~1wt%, V: 1% 이하, Ni: 4~6wt%, Ti: 1wt% 이하, Nb: 1wt% 이하, 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 포함하는 것을 특징으로 하므로, 우수한 주조성을 확보할 수 있고, 내마모성을 유지하는 동시에 우수한 내식성을 확보할 수 있으며, 강한 산과 염기가 배출되는 현장에서도 장기간 사용할 수 있어 부품의 교체 주기를 연장하고 교체비용도 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철{High Chrome Cast Iron With Excellent Abrasion Resistance and Corrosion Resistance}

본 발명은 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철에 관한 것으로, 특히 강한 산 또는 강한 염기에 의해 오랜 시간 접촉하더라도 손상이나 부식이 발생하지 않는 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철에 관한 것이다.

일반적으로, 강한 산이나 염기를 특성으로 하는 물질을 이송하는 기계장치를 구성하는 기계 부품은 내마모성이나 내식성이 뛰어난 재료로 만들어야 한다.

특히, 강한 산이나 염기로 이루어진 현탁액을 이송시 상기 기계 부품이 장기간 노출되면 부식되어 손상되고, 결국 고장으로 이어져 제품 생산성이 크게 저하하는 원인이 되었다.

물론 내식성이 우수한 스테인레스강을 채택할 수도 있으나, 강한 산이나 강한 염기 등의 물질에 장기간 접촉될 경우 부식되어 파손되는 문제점이 발생하고 있고, 특히 회전 부품이나 마찰 부품에 적용하는 경우 크랙 발생 증가로 점검 주기가 짧아져 생산성이 크게 낮아지는 문제점이 있다.

1. 한국등록특허공보 제10-1020174호(2011.02.28) "내식성이 뛰어난 오스테나이트 구상흑연주철"

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 강한 산이나 염기로 이루어진 물질에 장기간 접촉되어도 부식이나 크랙 등의 손상이 발생하지 않는 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철을 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철은,

C: 1.0~3.0wt%, Si: 2.0wt% 이하, Mn: 2.0wt% 이하, Cr: 25.0~27.0wt%, Mo: 0.4~1.0wt%, V: 1.0% 이하, Ni: 4.0~6.0wt%, Ti: 1.0wt% 이하, Nb: 1.0wt% 이하, 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철은 경도 HRC 50~60, 인장강도 500~700MPa인 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 4.0~6.0wt%의 Ni 함량을 통해 우수한 주조성, 내식성 및 내마모성을 확보하고, 여기에 티타튬, 바나듐, 및 니오븀 성분을 더 포함하여 내마모성을 유지하는 동시에 우수한 내식성을 보유할 수 있으며, 강한 산과 염기가 배출되는 현장에서도 장기간 사용할 수 있어, 부품의 교체 주기를 연장하고 교체비용도 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고크롬 주철의 시편 단면을 확대 촬영한 사진이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

본 발명에 따른 고크롬 주철은 우수한 내마모성 확보를 위해 크롬 함량을 높인 고크롬강을 사용하며, 여기에 몰리브덴, 니켈, 바나듐, 티타늄, 니오븀을 더 포함하여 내마모성과 더불어 우수한 내식성을 확보하는데 특징이 있다.

구체적으로, 본 발명의 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철의 기본 조성은 C: 1.0~3.0wt%, Si: 2.0wt% 이하, Mn: 2.0wt% 이하, Cr: 25.0~27.0wt%, Mo: 0.4~1.0wt%, V: 1.0% 이하, Ni: 4.0~6.0wt%, Ti: 1.0wt% 이하, Nb: 1.0wt% 이하, 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 포함한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 시편의 단면을 100배 확대하여 촬영한 결과, 초정 오스테나이트(검은색 점부분)가 나타나는데, 오스테나이트는 마르텐사이트로 상변태하여 내마모성 향상에 기여하고 잔류 오스테나이트는 내식성 향상에 기여하게 된다.

특히, 상기 Ni: 4.0~6.0wt%, Ti: 1.0wt% 이하, 및 Nb: 1.0wt%를 포함함으로써 주철의 내식성과 내마모성이 증강된다.

또한, 본 발명에 따른 고크롬 주철의 HRC 경도는 50~60이고, 인장강도는 500~700MPa이다.

이하, 본 발명에 따른 고크롬 주철의 조성에 관한 임계적 의미를 설명한다.

(1) C: 1.0~3.0wt%

탄소는 오스테나이트를 안정화시키는 역할과 강도의 형상에 기여한다.

또한, 탄소는 크롬 및 몰리브덴과 화합하여 탄소화물을 형성함으로써 강도 및 경도를 향상시키고 취성을 유발하는 델타 페라이트의 생성을 억제해 준다.

탄소는 함량이 증가할수록 경도값이 높아지나 3.0wt%를 초과하면 취성이 증가하고 1.0wt% 미만이면 내마모성이 저하되어 부품이 강한 산성에 의해 쉽게 마모될 우려가 있다.

(2) Si: 2.0wt% 이하

실리콘은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 함유되며, 소입성 및 피로강도를 향상시킨다.

그러나, 실리콘은 2.0wt%를 초과하면 인성이 저하되고 열처리시 표면결함 문제를 발생할 수 있으므로 2.0wt% 이하로 제한한다.

(3) Mn: 2.0wt% 이하

망간은 고용강화와 소입성(담금질성)을 향상하는 효과를 통해 강도를 확보한다.

그러나, 망간의 함량이 2.0wt%를 초과하면 편석이 급격하게 증가하고 취성이 증가하며 담금질 균열이나 변형을 유발할 수 있다.

(4) Cr: 25.0~27.0wt%

본 실시예에서 크롬은 내마모성과 경도 향상을 위해 포함된다.

크롬은 탄소와 결합하여 탄화물을 만들어 탄소의 확산을 방지함으로써 내마모성 및 내식성을 향상시키며, 결정입자의 조대화를 방지하여 경도를 향상시킨다.

크롬은 27.0wt%를 초과하여 함유되면 탄소와 과도한 반응에 의해 조직이 침상형으로 자라게 되어 내충격성이 저하되는 단점이 발생하고, 25.0wt% 미만으로 함유되면 내충격성은 양호해지나 내마모성이 약해지게 되어 부품 제조시 강한 산성 또는 염기성의 물질에 쉽게 마모될 우려가 있다.

다음, 내식성 확보를 위해 추가되는 물질의 조성에 대한 임계적 의의를 설명한다.

(5) Mo: 0.4~1.0wt%

몰리브덴은 치환형 원소로서 고용강화 효과로 강의 강도를 향상시킨다.

본 발명에서 몰리브덴은 강의 경화능을 향상시키는 역할과 내식성과 인성을 좋게 하기 위해 첨가된다.

몰리브덴은 내식성이 뛰어난 원소이며 몰리브덴을 단독 사용하는 것보다 크롬과 병용하여 사용하면 경화능 향상에 더욱 효과적이다.

또한, 몰리브덴은 후속하는 열처리에서 뜨임 취성을 방지하는 역할을 한다.

몰리브덴은 0.4wt% 미만이면 내식성과 인성이 저하될 우려가 있고, 1.0wt%를 초과하면 인성을 열화시킬 우려가 있다.

(6) V: 1.0wt% 이하

바나듐은 단단하고 내식성이 크며 보통의 산이나 알칼리와는 반응하지 않는다.

바나듐은 1.0wt%를 초과하면 충격 인성이 저하되는 문제점이 있으므로, 1.0wt% 이하로 함유한다.

(7) Ni: 4.0~6.0wt%

니켈은 조직을 미세하고 강인하게 하여 강의 경화능 및 내식성을 향상시키는 역할을 하며, 크롬이나 몰리브덴과 공존하면 우수한 경화능을 나타내어 열처리를 용이하게 한다.

특히, 니켈은 입자를 안정시켜 내충격성을 향상시키는 역할을 하는데, 니켈 함량이 6.0wt%를 초과할 경우 인성 증가 및 기계적 특성 저하되는 단점이 있고, 4.0wt% 미만일 경우 주조성 저하, 및 응고 후 크랙발생 증가의 우려가 있다.

(8) Ti: 1.0wt% 이하

티타늄은 높은 강도, 강성, 인성, 및 내식성을 가지나, 1.0wt%를 초과하면 충격 인성이 저하되는 문제점이 있다.

(9) Nb: 1.0wt% 이하

니오븀은 강한 산이나 염기에 잘 부식되지 않아 높은 내식성을 가지나, 1.0wt%를 초과하면 충격 인성이 저하되는 문제점이 있다.

시험예

이하, 본 발명의 실시예1과 후술하는 비교예의 내식성과 내마모성을 비교 시험한 결과(시험예)를 설명한다.

먼저, 본 발명의 실시예로 얻어낸 회전 부품용 주철의 조성(실시예1)의 일예는 아래 [표 1]과 같다.

[표 1]

아래 [표 2]는 상기 본 발명의 실시예1에 따른 합금의 경도 측정치를 나타낸다.

본 시험은 KTR(한국화학융합시험연구원)에서 진행하였으며 시험방법은 ASTM E18을 적용하였다.

[표 2]

아래 [표 3]은 본 발명의 실시예1에 따른 합금의 인장강도 측정치를 나타낸다.

본 시험은 KTR(한국화학융합시험연구원)에서 진행하였으며, 시험방법은 ASTM E8/E8M-16a을 적용하였다.

[표 3]

위의 시험 결과, 본 발명에 따른 고크롬 주철의 실시예1은 HRC 경도 50~60이고, 인장강도는 500~700MPa 범위를 만족하였다.

아래 [표 4]는 비교예로서 현재 일반적인 회전 부품용으로 사용되고 있는 두 가지 대표적 주철의 조성을 나타낸다.

[표 4]

특히, 비교예1은 실시예1와 비교하여 Ni의 함량이 상대적으로 낮으며, 비교예2는 실시예1과 비교하여 Ni의 함량이 상대적으로 높다.

아래 [표 5]는 본 발명의 실시예1과 위의 두 가지 비교예의 내식성을 비교한 시험 결과이다.

본 시험은 한국SGS(주)에서 진행하였으며, 시험방법은 ASTM A262-15 Practice B에 의해 진행하였고, 결과값은 시험 전후 시험편의 무게 감소량에 관한 값이며, 초기 시편 무게는 10g으로 실시예1과 비교예는 동일한 모양을 대상으로 하였다.

구체적인 시험방법을 차례대로 기재하면 다음과 같다.

먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이, 시편의 초기 무게를 측정한다.

다음, 플라스크에 시험액을 정량하여 담고 시험액의 조성을 완성한다.

시험액의 조성은 황산(sulfuric acid, 95%) 236ml, 물 400ml, 황산 제2철(ferrous sulfate heptahydrate) 25g이다.

그리고, 황산 제2철 분말이 완전히 녹을 때까지 가열과 교반을 동시에 진행한다.

도 2b에 도시한 바와 같이, 용해가 끝나면 탁한 황색의 용액이 맑은 황색을 보이게 된다.

가열 과정에서 증기의 손실로 인한 시험액의 산도가 바뀔 수 있으므로 냉각기로 막아준다.

정해진 치수의 부식 시험편은 표면의 가공에 의한 흔적들을 연마기로 제거한 후, 유리 용기에 구분하여 담는다.

시편을 유리 용기에 담기 전에 시편의 무게를 확인하여 기록한다.

시험액 조성 및 시편의 전처리(연마 등)가 완료되면 시험을 진행한다(도 2c 참조).

시험은 30분 동안 수행하며, 시험이 완료되면 부식액으로부터 유리 용기를 꺼내어 시편을 세척한다.

시편 세척은 수중에서의 초음파 세척에 의해 이루어진다.

도 2d에는 시험이 완료된 상태의 플라스크가 도시되어 있다.

시편을 잘 건조하여 무게를 측정한다.

시편의 시험 전후 무게를 비교하여 내부식 성능에 대한 평가를 완료한다.

[표 5]

시험 결과, 초기 시편 무게 10g인 동일한 모양에 대하여, 실시예1의 평균 무게 감소량은 0.4611g이고, 비교예1의 평균 무게 감소량은 0.7117g이며, 비교예2의 평균 무게 감소량은 4.8959g이다.

따라서, Ni 함량 4.0~6.0wt%인 실시예1의 합금이, Ni의 함량에 있어서 실시예1으로부터 벗어나는 비교예1 및 비교예2의 합금보다 내식성이 더 뛰어나다는 것을 알 수 있다.

아래 [표 6]은 본 발명의 실시예1과 위의 두 가지 비교예의 내마모성을 비교한 시험 결과이다.

본 시험은 한국고분자시험연구소에서 진행되었으며, 시험방법은 KS D8314에 따라 진행하였고, 결과값(질량감소율) = (시험 전 무게 - 시험 후 무게) / 시험 전 무게 x 100 이다.

러빙(rubbing) 테스터를 이용하여 마모시험 전과 후의 무게를 비교하였으며, 구체적인 시험조건은 다음과 같다.

(1) 시험기기 : 러빙 테스터 (NR-BR1)

(2) 하중 : 500g

(3) 마모재 : 샌드 페이퍼 #220

(4) 시험속도 : 60rpm

(5) 스트로크 : 50±2mm

(6) 사이클 : 7,200회

(7) 시편크기 : 12.48±0.03mm × 25.35±0.03 × 4.00±0.02

(8) 시험온도 : (24±2)℃

(9) 시험습도(RH) : (45±5)%

[표 6]

시험 결과, 실시예1의 평균 질량 감소율은 0.052%이고, 비교예1의 평균 질량감소율은 0.084%이며, 비교예2의 평균 질량 감소율은 0.066%이다.

따라서, Ni 함량 4.0~6.0wt%인 실시예1에 따른 합금이 Ni의 함량에 있어서 실시예1으로부터 벗어나는 비교예1과 비교예2에 따른 합금보다 내마모성이 우수함을 나타낸다.

참고로, 도 3a-도 3f에 실시예1과 비교예1를 대상으로 한국고분자시험연구소에서 이루어진 내마모성 시험의 시험조건과 시험결과를 나타내는 시험성적서를 도시하였다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 4.0~6.0wt%의 Ni 함량을 통해 우수한 주조성, 내식성 및 내마모성을 확보하고, 여기에 티타튬, 니오븀 및 바나듐 성분을 더 포함하여 내마모성을 유지하는 동시에 우수한 내식성을 확보할 수 있어 강한 산과 염기가 배출되는 현장에서도 장기간 사용할 수 있으므로 부품의 교체 주기를 연장하고 교체비용도 절감할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철을, 강한 산이나 염기를 특성으로 하는 물질을 이송하는 기계장치의 기계 부품에 효과적으로 적용할 수 있다.

본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims

C: 1.0~3.0wt%, Si: 2.0wt% 이하, Mn: 2.0wt% 이하, Cr: 25.0~27.0wt%, Mo: 0.4~1.0wt%, V: 1.0% 이하, Ni: 4.0~6.0wt%, Ti: 1.0wt% 이하, Nb: 1.0wt% 이하, 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철.
제1항에 있어서,
경도 HRC 50~60, 인장강도 500~700MPa인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내식성이 우수한 고크롬 주철.